ПЕРФУЗИОННЫЙ БИОРЕАКТОР С СИСТЕМАМИ ФИЛЬТРАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК C12M1/00 C12M1/36 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение в целом относится к перфузионному устройству для культивирования клеток и к способу культивирования клеток.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Культивирование клеток in vitro представляет собой сложный процесс, в котором клетки выращивают в контролируемых условиях вне их естественной окружающей среды. Условия культивирования могут варьироваться для каждого типа клеток, и их необходимо точно контролировать для обеспечения правильного фенотипа клеток и/или экспрессии требуемого продукта.

Биореакторы обеспечивают контролируемые условия для роста и поддержки клеток в соответствии с их требованиями к температуре, pH, питанию, газу и другими потребностями. Для культивирования клеток в течение длительного промежутка времени клетки необходимо непрерывно снабжать свежей питательной средой, а истощенную питательную среду необходимо удалять с приблизительно такой же скоростью. Для увеличения продуктивной продолжительности культивирования клеток в биореакторе были разработаны перфузионные биореакторы, непрерывно подпитывающие клетки свежей питательной средой и собирающие требуемый продукт, в то же время удерживая клетки в биореакторе. Такие биореакторы обеспечили возможность выращивания клеток при более высоких концентрациях и их поддержку в течение более длительных промежутков времени относительно биореакторов без активных перфузионных систем.

На фиг. 1 показана схема обычного современного перфузионного биореактора 100, известного специалистам в данной области техники. Перфузионный биореактор содержит сосуд 110 биореактора, фильтр 120 с переменным тангенциальным потоком (ATF), насос 130 для сбора и операцию 160 непрерывного захвата. Перфузионный биореактор 100 можно эксплуатировать путем (i) прикрепления фильтрующего устройства 120 ATF к сосуду 110 биореактора; (ii) наполнения сосуда 110 биореактора свежей питательной средой; (iii) посева клеток в сосуд 110 биореактора; и (iv) перфузии свежей питательной среды в сосуд 110 биореактора и удаления истощенной питательной среды через насос 130 для сбора, последовательно соединенный с фильтром 120 ATF.

В этих условиях клетки можно культивировать и поддерживать в течение длительного промежутка времени. Непрерывно добавляемая питательная среда предоставляет клеткам питательные вещества, необходимые для их роста, а удаляемая истощенная питательная среда позволяет удалять из системы продукты жизнедеятельности клеток и побочные продукты с целью предотвращения достижения ими вредоносных уровней. Фильтр ATF позволяет удалять из биореактора истощенную питательную среду, в то же время удерживая клетки в биореакторе. Для повышения эффективности и устойчивости обычно также контролируют и другие параметры культивирования клеток, в том числе температуру, количество растворенного кислорода, pH, pCO₂ и плотность клеток.

Как показано на фиг. 1, в перфузионный биореактор 100 может быть добавлена непрерывно действующая операция 160 захвата. В этом сценарии истощенная питательная среда, удаляемая из сосуда 110 биореактора и содержащая представляющий интерес продукт, непрерывно подается в операцию 160 непрерывного захвата, где она некоторым образом обрабатывается и очищается.

Стандартный перфузионный биореактор, такой как биореактор, показанный на фиг. 1, может быть предназначен для эксплуатации в течение длительных промежутков времени (30-60 дней, если не более). Однако ограничивающей может оказаться устойчивость оборудования. В частности, может отказывать фильтр ATF, приводя к сбою или расстройству процесса. В некоторых случаях фильтр ATF может испытывать катастрофический отказ, и, таким образом, позволять клеткам проходить через фильтр в сбор. Такое происшествие может оказывать множество отрицательных воздействий. Во-первых, по причине того, что клетки больше не удерживаются в биореакторе фильтром ATF, они могут быстро вытекать из биореактора, и плотность клеток и производительность биореактора могут уменьшаться. Во-вторых, в системе с добавленным ниже по потоку этапом непрерывной очистки клетки могут втекать непосредственно в эту операцию, причиняя вред системе очистки. В одном примере клетки могут переноситься на колонки станции непрерывной периодической противоточной хроматографии (PCC), приводя к забиванию, созданию давления и усиленному введению примесей. В такой ситуации для сбережения биореактора проблему необходимо быстро идентифицировать и быстро заменить фильтр ATF. Независимо от этого, операцию ниже по потоку, вероятно, необходимо остановить и очистить, а одноразовые детали могут потребовать замены. В целом ответная реакция может приводить к потере нескольких дней производственного времени, а в худшем случае к полному прекращению эксплуатации.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ

Предусматривается устройство и способ культивирования клеток, которые преодолевают один или несколько недостатков, известных в данной области техники. Было обнаружено, что можно подготовить систему фильтрации для перфузионного устройства для культивирования клеток, которая автоматически обнаруживает неисправность фильтра ATF и ответно реагирует на нее без необходимости в остановке операции культивирования клеток.

В первом варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрено перфузионное устройство для культивирования клеток. Устройство содержит сосуд биореактора, первый фильтрационный узел, второй фильтрационный узел и устройство управления. Сосуд биореактора выполнен с возможностью вмещения жидкой питательной среды. Первый фильтрационный узел находится в сообщении по текучей среде с сосудом биореактора и содержит первую систему фильтрации, первый насос для сбора и датчик. Первый насос для сбора последовательно соединен с первой системой фильтрации и выполнен с возможностью перекачивания жидкой питательной среды из сосуда биореактора через первую систему фильтрации. Датчик выполнен с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой в первом фильтрационном узле. Второй фильтрационный узел также находится в сообщении по текучей среде с сосудом биореактора и выполнен с возможностью эксплуатации параллельно с первым фильтрационным узлом. Второй фильтрационный узел содержит вторую систему фильтрации и второй насос для сбора. Второй насос для сбора последовательно соединен со второй системой фильтрации и выполнен с возможностью перекачивания жидкой питательной среды из сосуда биореактора через вторую систему фильтрации. Устройство управления выполняет операции. Операции включают прием из датчика информации, указывающей рабочее состояние первой системы фильтрации. Операции дополнительно включают определение на основе по меньшей мере принятой информации того, находится ли первая система фильтрации в работоспособном состоянии. Операции также включают, в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, инициирование прекращения перекачивания первым насосом для сбора жидкой питательной среды через первую систему фильтрации.

Во втором варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрено перфузионное устройство для культивирования клеток. Устройство содержит сосуд биореактора, фильтрационный узел и устройство управления. Сосуд биореактора выполнен с возможностью вмещения жидкой питательной среды. Фильтрационный узел находится в сообщении по текучей среде с сосудом биореактора и содержит систему фильтрации, насос для сбора и датчик. Насос для сбора последовательно соединен с системой фильтрации и выполнен с возможностью перекачивания жидкой питательной среды из сосуда биореактора через систему фильтрации. Датчик выполнен с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой в фильтрационном узле. Устройство управления выполняет операции. Операции включают прием из датчика информации, указывающей рабочее состояние системы фильтрации. Операции дополнительно включают определение на основе, по меньшей мере, принятой информации того, находится ли система фильтрации в работоспособном состоянии. Операции дополнительно включают, в ответ на определение того, что тангенциальный поток находится в неработоспособном состоянии, инициирование прекращения перекачивания насосом для сбора жидкой питательной среды через систему фильтрации.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрен способ. Способ включает, по меньшей мере, частичное наполнение сосуда биореактора клетками и жидкой питательной средой. Сосуд биореактора находится в сообщении по текучей среде с первой системой фильтрации и второй системой фильтрации. Вторая система фильтрации соединена параллельно с первой системой фильтрации. Способ дополнительно включает перекачивание жидкой питательной среды из сосуда биореактора через первую систему фильтрации с использованием первого насоса для сбора. Первый насос для сбора последовательно соединен с первой системой фильтрации. Способ также включает перекачивание жидкой питательной среды из сосуда биореактора через вторую систему фильтрации с использованием второго насоса для сбора. Второй насос для сбора соединен последовательно с первой системой фильтрации. Способ дополнительно включает прием из датчика, выполненного с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой, информации, указывающей рабочее состояние первой системы фильтрации. Кроме того, способ включает определение на основе по меньшей мере принятой информации того, находится ли первая система фильтрации в работоспособном состоянии. Кроме того, способ включает, в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, инициирование прекращения перекачивания первым насосом для сбора жидкой питательной среды через первую систему фильтрации.

Другие аспекты, варианты осуществления и реализации станут очевидными из следующего подробного описания и формулы изобретения со ссылкой, где необходимо, на сопроводительные графические материалы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

На фиг. 1 показана схема стандартной установки перфузионного биореактора.

На фиг. 2 показана схема перфузионного устройства для культивирования клеток со сдвоенными системами фильтрации и добавленным захватом согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 показана схема перфузионного устройства для культивирования клеток со сдвоенными системами фильтрации и добавленным захватом согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 4 показана схема установки перфузионного устройства для культивирования клеток с одной системой фильтрации согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 5 показана блок-схема способа согласно варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Настоящее изобретение в целом относится к системе фильтрации для устройства для культивирования клеток и к способу культивирования клеток. Перфузионное устройство для культивирования клеток согласно настоящему изобретению содержит сосуд биореактора и две или более систем фильтрации (например, фильтров с переменным тангенциальным потоком), соединенных параллельно. Отказ любого из двух фильтров может быть обнаружен встроенным датчиком, и система автоматического ответного реагирования действует с целью изоляции неисправного фильтра путем прекращения течения жидкой питательной среды через фильтр. Поток питательной среды через оставшиеся работоспособные фильтры можно увеличить так, что скорость перфузии через биореактор остается относительно неизменной. Устройство для культивирования клеток согласно настоящему изобретению выполнено с возможностью предотвращения проблем, возникающих из-за отказов фильтров в традиционных перфузионных биореакторах, за счет чего увеличивается долгосрочная жизнеспособность клеточных культур.

В данном документе описаны примерные способы, устройства и системы. Следует понимать, что термины «пример» и «примерный» используются в настоящем описании как означающие «служащий в качестве примера или иллюстрации». Любую реализацию или характерный признак, описанный как «примерный» или представляющий собой «пример», необязательно следует толковать как предпочтительный или преимущественный над другими реализациями или характерными признаками. Без выхода за пределы объема предмета изобретения, представленного в настоящем описании, могут использоваться другие реализации и могут осуществляться другие изменения.

Таким образом, реализации, описанные в настоящем описании, не подразумеваются как ограничивающие. Описанные в настоящем описании и изображенные на фигурах компоненты могут быть расположены, замещены, объединены, отделены и спроектированы в самых различных конфигурациях, которые предусматриваются в настоящем изобретении.

Кроме того, если контекст не предполагает иное, характерные признаки, изображенные на каждой из фигур, можно использовать в комбинации друг с другом. Таким образом, фигуры следует в целом рассматривать как компоненты одной или нескольких общих реализаций при условии понимания того, что не все изображенные характерные признаки являются необходимыми для каждой реализации.

В попытке обеспечить технический контекст настоящего изобретения, информация в данном разделе в широком смысле описывает различные компоненты реализаций, описанные в настоящем описании. Если не определено иначе, все технические и научные термины, используемые в данном документе, имеют такие же значения, как и обычно понимаемые специалистом в данной области техники. Данная информация представлена только для пользы читателя и как таковая в явном виде не ограничивает заявленный предмет изобретения. Дополнительные компоненты, показанные на фигурах, показаны лишь в иллюстративных целях. Как таковые иллюстрации не следует толковать как ограничивающие. Понятно, что компоненты можно добавлять, удалять или перегруппировывать без выхода за пределы объема настоящего изобретения.

I. Обзор

Для частных применений может быть преимущественно предоставлено устройство для культивирования клеток, автоматически обнаруживающее и ответно реагирующее на отказ системы фильтрации. Указанное устройство для культивирования клеток может содержать встроенную избыточность, и поэтому вторую и/или дальнейшую систему фильтрации можно использовать, если и когда отказывает первый фильтр (например, из-за разрыва, забивания, засорения или каких-либо иных состояний). При отказе фильтра система автоматического ответного реагирования может действовать с целью прекращения течения питательной среды в поврежденный фильтр, в то же время увеличивая пропускную способность через любые оставшиеся фильтры. Это ответное реагирование может обеспечивать возможность продолжения перфузии жидкой питательной среды с приблизительно такой же скоростью без необходимости в немедленном вмешательстве оператора устройства для культивирования клеток. Такая система может увеличивать жизнеспособность клеток и уменьшать вероятность отказа в системах перфузионного биореактора.

Устройство и способы настоящего изобретения обычно относятся к перфузионному устройству для культивирования клеток с усовершенствованной системой фильтрации с тангенциальным потоком. Указанное устройство может содержать сосуд биореактора, выполненный с возможностью размещения популяции клеток и жидкой питательной среды для выращивания. Доставлять свежую жидкую питательную среду в сосуд биореактора и удалять истощенную жидкую питательную среду можно с приблизительно равными скоростями через последовательность фильтрационных узлов. Каждый фильтрационный узел может содержать систему фильтрации, насос для сбора, датчик и/или защитный фильтр.

В ходе нормальной эксплуатации истощенную жидкую питательную среду удаляют через один или несколько фильтрационных узлов и перекачивают в операцию захвата ниже по потоку. Датчики, предусмотренные в каждом фильтрационном узле, могут непрерывно осуществлять мониторинг эксплуатации фильтрационных узлов и определять, когда возникает неисправность (например, разрыв, забивание или какой-либо иной тип отказа) в одной из систем фильтрации.

При обнаружении неисправности одним или несколькими датчиками система автоматического ответного реагирования действует с целью изменения эксплуатационных параметров устройства так, что перфузия жидкой питательной среды продолжается без перерыва. Система автоматического ответного реагирования осуществляется устройством управления в сообщении с датчиком и насосом для сбора. В ответ на определение того, что одна или несколько систем фильтрации находятся в неработоспособном состоянии, устройство управления инициирует прекращение перекачивания насосом для сбора, связанным с неработоспособным фильтром, жидкой питательной среды в поврежденный фильтр. Дополнительно, устройство управления может инициировать обработку оставшимся работоспособным фильтрационным узлом увеличенного объема жидкой питательной среды, например, путем инициирования увеличения связанным насосом для сбора потока жидкой питательной среды в работоспособную систему фильтрации. Устройство управления может инициировать вывод устройством уведомления, например, сигнала тревоги, светового индикатора или какого-либо иного предупреждения. Устройство управления также может останавливать систему фильтрации (например, путем инициирования прекращения перекачивания насосом с тангенциальным потоком жидкой питательной среды через фильтрующую мембрану). В некоторых сценариях устройство управления также может прекращать операцию захвата ниже по потоку или приводить в действие клапаны для прекращения течения жидкой питательной среды и/или отведения жидкой питательной среды в контейнер для отходов. В еще одном сценарии устройство управления может полностью останавливать потоки в сосуд биореактора и из него, если показания датчика биореактора (например, емкость, оптическая плотность, скорость поглощения кислорода и т.д.) падают ниже определенного порогового значения. Также предусмотрены и другие автоматические ответные реакции.

II. Устройство для культивирования клеток

Устройство для культивирования клеток согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения изображено на фиг. 2. Устройство 200 для культивирования клеток содержит сосуд 210 биореактора, операцию 260 непрерывного захвата, по меньшей мере первый фильтрационный узел 206 и второй фильтрационный узел 208, соединенные параллельно между по меньшей мере одним выпуском сосуда 210 биореактора и впуском операции 260 непрерывного захвата. Сосуд 210 биореактора устройства 200 для культивирования клеток выполнен с возможностью вмещения свежей жидкой питательной среды с целью поддержки популяции клеток в сосуде. В рамках данного документа термин «жидкая питательная среда» может относиться к питательной среде для выращивания или культуральной среде, рассчитанной на поддержку роста клеток. Из сосуда 210 биореактора через множество фильтрационных узлов 206, 208 выкачивается приблизительно равный поток истощенной жидкой питательной среды, за счет чего отходы метаболизма и белковые отходы удаляются, в то же время сохраняя постоянный объем питательной среды в сосуде 210 биореактора. Для мониторинга условий культивирования клеток датчик 215 биореактора может быть расположен так, что он взаимодействует с жидкой питательной средой в сосуде 210 биореактора. Такой датчик 215 биореактора может быть выполнен с возможностью измерения температуры, количества растворенного кислорода, pH, pCO₂ и/или плотности клеток в сосуде 210 биореактора и/или жидкой питательной среде в сосуде 210 биореактора.

В устройство 200 для культивирования клеток может быть добавлена непрерывно действующая операция 260 захвата, приспособленная для сбора продукта (например, требуемого биологического или терапевтического продукта) из жидкой питательной среды. Операция 260 захвата находится в сообщении по текучей среде с сосудом 210 биореактора посредством по меньшей мере одного фильтрационного узла 206. Операция 260 захвата может принимать истощенную жидкую питательную среду после ее прохождения через параллельные фильтрационные узлы 206, 208 и обрабатывать и/или очищать питательную среду с целью сбора требуемого представляющего интерес продукта. В различных вариантах осуществления в операции 260 захвата можно использовать множество методик сбора представляющего интерес продукта. Например, в некоторых примерах операция 260 захвата может предусматривать систему непрерывной хроматографии, содержащую одну или несколько хроматографических колонок. В частных примерах операции 260 захвата могут предусматривать станцию непрерывной периодической противоточной хроматографии (PCC) или станцию хроматографии с псевдодвижущимся слоем (SMB). В других примерах операция 260 захвата может предусматривать станцию многоколоночной хроматографии (MCC) (т.е. систему непрерывной хроматографии, содержащую множество колонок). Специалисты в данной области техники могут представить себе и другие способы очистки.

Перед достижением операции 260 непрерывного захвата жидкая питательная среда течет через один или несколько фильтрационных узлов 206, 208, рассчитанных на удержание клеток в сосуде 210 биореактора. Каждый фильтрационный узел 206, 208 находится в сообщении по текучей среде с сосудом 210 биореактора и может быть соединен с выпуском сосуда 210 между сосудом 210 и операцией 260 непрерывного захвата. Как показано на фиг. 2, в некоторых примерах фильтрационные узлы могут быть соединены параллельно с целью обеспечения двух параллельных путей текучей среды. Первый фильтрационный узел 206 содержит первую систему 220 фильтрации, первый насос 230 для сбора, первый датчик 240 и первый защитный фильтр 250. Аналогично, второй фильтрационный узел 208 содержит вторую систему 222 фильтрации, второй насос 232 для сбора, второй датчик 242 и второй защитный фильтр 252. Элементы каждого фильтрационного узла 206, 208 могут быть соединены последовательно одним или несколькими трубопроводами, стерильными трубками или другими соединительными средствами. Как показано на фиг. 2, первый насос 232 для сбора может быть присоединен ниже по потоку относительно первой системы 220 фильтрации, и датчик 240 может быть размещен ниже по потоку относительно первого насоса 230 для сбора и расположен между первым насосом 230 для сбора и защитным фильтром 250, присоединенным еще ниже по потоку. В данном контексте термин «ниже по потоку» относится к относительному положению или ориентации элемента относительно потока жидкой питательной среды через фильтрационные узлы 206, 208, при этом «ниже по потоку» в целом относится к направлению в сторону операции 260 захвата и в сторону от сосуда 210 биореактора. Однако элементы первого фильтрационного узла 206 могут быть соединены в любом количестве конфигураций. Второй фильтрационный узел 208 и/или дополнительный фильтрационный узел может быть обеспечен элементами в по существу такой же конфигурации, как у первого фильтрационного узла 206, или в полностью отличающейся конфигурации.

В некоторых примерах второй фильтрационный узел 208 выполнен с возможностью эксплуатации параллельно (т.е. одновременно) с первым фильтрационным узлом 206. В ходе нормальной эксплуатации устройства 200 для культивирования клеток расходы жидкой питательной среды через первый фильтрационный узел 206 и второй фильтрационный узел 208 могут быть приблизительно равны. Иными словами, каждый фильтрационный узел 206, 208 может принимать приблизительно равные расходы истощенной жидкой питательной среды из сосуда 210 биореактора. Однако в других вариантах осуществления может единовременно эксплуатироваться один фильтрационный узел (например, первый фильтрационный узел 206), а второй фильтрационный узел 208 и/или дополнительный фильтрационный узел может эксплуатироваться как резервный.

В некоторых вариантах осуществления, для увеличения пропускной способности, третий или четвертый фильтрационный узел может быть присоединен параллельно первому фильтрационному узлу 206 и второму фильтрационному узлу 208, обеспечивая дополнительные резервные средства фильтрации в случае отказа системы или обеспечения какой-либо иной выгоды.

Первый фильтрационный узел 206 и второй фильтрационный узел 208 содержат первую систему 240 фильтрации и вторую систему 242 фильтрации соответственно. Первая и вторая системы 220, 222 фильтрации могут быть выполнены с возможностью предотвращения попадания клеток из сосуда 210 биореактора в операцию 260 непрерывного захвата, в то же время обеспечивая свободное прохождение продуктов жизнедеятельности клеток и одного или нескольких требуемых представляющих интерес продуктов. В рамках данного документа термин «система фильтрации» используется для обозначения средств на основе фильтра для удержания клеток в сосуде 210 биореактора. В некоторых примерах первая система 220 фильтрации и вторая система 222 фильтрации могут содержать фильтры, действующие за счет тангенциального течения текучей среды (например, жидкой питательной среды) через фильтрующую мембрану. Такая система 220, 222 фильтрации может содержать традиционные системы фильтрации с тангенциальным потоком (TFF), фильтры с перекрестным током и аналогичные средства удержания клеток. В другом примере по меньшей мере одна из первой системы 220 фильтрации и второй системы 222 фильтрации содержит фильтры с переменным тангенциальным потоком (ATF). Такие фильтры обычно содержат фильтрующую мембрану и насос с тангенциальным потоком (например, диафрагменный насос), выполненный с возможностью направления текучей среды тангенциально через фильтрующую мембрану. Насос с тангенциальным потоком может содержать диафрагму, приводимую в действие для течения жидкой питательной среды из сосуда 210 биореактора через поверхность фильтрующей мембраны по повторяющейся возвратно-поступательной схеме. Повторяющееся возмущение текучей среды вблизи фильтрующей мембраны может предотвращать накопление клеток и засорение поверхности фильтра в ходе эксплуатации. В некоторых примерах первый насос с тангенциальным потоком, предусматриваемый первой системой фильтрации, может эксплуатироваться независимо от второго насоса с тангенциальным потоком, предусматриваемого второй системой фильтрации. Однако в других вариантах осуществления два или более насосов с тангенциальным потоком могут управляться унифицированным образом так, что их перекачивающее действие является полностью синхронизированным или асинхронизированным.

Несмотря на то, что первый фильтрационный узел 206 и второй фильтрационный узел 208 до этого были описаны как содержащие фильтры ATF или другие фильтры на основе тангенциального потока, для удержания клеток в сосуде 210 биореактора могут быть реализованы и другие средства фильтрации. Например, в других вариантах осуществления первая система 220 фильтрации и вторая система 222 фильтрации может содержать внутренние центробежные фильтры (ISF), фильтры с полыми волокнами, пористые мембранные фильтры, объемные фильтры и/или другие системы микро- или ультрафильтрации.

Первая система 220 фильтрации и вторая система 222 фильтрации содержат первую фильтрующую мембрану и вторую фильтрующую мембрану соответственно. Размер пор фильтрующих мембран можно выбрать так, что требуемый представляющий интерес продукт, продукты жизнедеятельности клеток и истощенная жидкая питательная среда свободно текут через мембрану, в то время как клетки удерживаются в сосуде 210 биореактора. Фильтрующая мембрана систем 220, 222 фильтрации может быть выполнена из любого материала с подходящим размером пор, например, из пористой полимерной мембраны. В некоторых примерах фильтрующая мембрана содержит последовательность полых волокон с избирательной проницаемостью, организованных в параллельную структуру внутри корпуса или картриджа. Размер пор мембраны из полых волокон можно выбрать для достижения требуемой проницаемости систем 220, 222 фильтрации. В некоторых примерах каждая из первой системы 220 фильтрации и второй системы 222 фильтрации имеет размер пор в диапазоне от приблизительно 500 килодальтон до приблизительно 10 микрон или, более предпочтительно, от приблизительно 0,1 микрона до приблизительно 1 микрона.

Каждый фильтрационный узел 206, 208 в соответствии с устройством согласно настоящему изобретению содержит насос 230 для сбора. Первый фильтрационный узел 206 содержит первый насос 230 для сбора, последовательно соединенный с первой системой 220 фильтрации. Аналогично, второй фильтрационный узел 208 содержит второй насос 232 для сбора, последовательно соединенный со второй системой 222 фильтрации. Первый насос 230 для сбора и второй насос 232 для сбора выполнены с возможностью перекачивания жидкой питательной среды из сосуда 210 биореактора через первую систему 220 фильтрации и вторую систему 222 фильтрации соответственно в операцию 260 захвата ниже по потоку. В различных примерах первый насос 230 для сбора и/или второй насос 232 для сбора могут включать перистальтические насосы, бесподшипниковые насосы, диафрагменные насосы или центробежные насосы. Однако можно использовать и другие насосы, поддерживающие стерильность жидкой питательной среды при перемещении питательной среды через фильтрационные узлы 206, 208.

Первый насос 230 для сбора перекачивает жидкую питательную среду из сосуда 210 биореактора через первую систему 220 фильтрации с первым расходом. Второй насос 232 для сбора аналогично перекачивает жидкую питательную среду из сосуда 210 биореактора через вторую систему 222 фильтрации со вторым расходом. В некоторых примерах первый расход может быть приблизительно равен второму расходу. Иными словами, первый насос 230 для сбора и второй насос 232 для сбора могут быть выполнены с возможностью перекачивания приблизительно равного объема жидкой питательной среды через соответствующие им системы 220, 222 фильтрации, и, таким образом, фильтрационные узлы в нормальных условиях эксплуатации обрабатывают равные объемы истощенной жидкой питательной среды. Однако в другом варианте осуществления первый расход и второй расход могут различаться. В частном примере первый насос 230 для сбора может эксплуатироваться автономно и независимо, тогда как второй насос 232 для сбора (т.е. второй или дополнительный насос для сбора, соединенный со вторым или дополнительным устройством фильтрации) может быть выполнен с возможностью эксплуатации в ответ на определение того, что первый насос 230 для сбора, первая система 220 фильтрации и/или первый фильтрационный узел 206 находится в неработоспособном состоянии.

Расход жидкой питательной среды через фильтрационные узлы 206, 208 может быть приблизительно равен расходу свежей питательной среды в сосуд 210 биореактора, так что в сосуде 210 в ходе перфузии поддерживается неизменный объем жидкой питательной среды. Иными словами, сумма первого расхода и второго расхода может быть приблизительно равна расходу жидкой питательной среды в сосуд 210 биореактора (т.е. расходу питательной среды, вводимой в сосуд 210 при помощи операции подачи).

Расходом жидкой питательной среды через каждую систему 220, 222 фильтрации (т.е. первым расходом и вторым расходом) можно управлять независимо при помощи устройства 270 управления в сообщении с первым насосом 230 для сбора и вторым насосом 232 для сбора. Устройство 270 управления может быть выполнено с возможностью инициирования увеличения, уменьшения или прекращения первым насосом 230 для сбора и/или вторым насосом 232 для сбора течения жидкой питательной среды через первую систему 240 фильтрации и/или вторую систему 242 фильтрации в зависимости от условий эксплуатации устройства 200. Например, при отказе одной или нескольких систем 220, 222 фильтрации насос для сбора поврежденного узла можно остановить и одновременно увеличить расход жидкой питательной среды через оставшийся фильтрационный узел с целью компенсации неисправного фильтрационного узла.

Так как перфузионные биореакторные системы обычно выполнены с возможностью эксплуатации в течение длительного промежутка времени, можно ожидать отказов оборудования. В частности, системы 220, 222 фильтрации могут быть предрасположены к неисправностям, что потенциально ведет к проблемам в операции 260 захвата ниже по потоку, увеличению количества примесей в сборе и, в некоторых случаях, к полному прекращению эксплуатации. Для предотвращения помех для операции 260 непрерывного захвата, создаваемых клетками, преодолевающими систему (системы) 220, 222 фильтрации, последовательно с первой системой 220 фильтрации и/или второй системой 222 фильтрации может быть присоединен защитный фильтр 250, 252. Такой защитный фильтр 250, 252 может быть выполнен с возможностью предотвращения прохождения клеток и фрагментов клеток вниз по потоку в операцию 260 захвата и одновременного обеспечения свободной диффузии питательных веществ, продуктов метаболизма и жидкой питательной среды. Как изображено на фиг. 2, защитный фильтр 250 может быть последовательно соединен с первой системой 220 фильтрации и/или первым фильтрационным узлом 206. В некоторых примерах защитный фильтр 250 присоединен ниже по потоку относительно первой системы 220 фильтрации и/или датчика 240. Второй фильтрационный узел 208 может также содержать защитный фильтр (т.е. второй защитный фильтр 252), последовательно соединенный со второй системой 222 фильтрации ниже по потоку относительно системы 222 фильтрации. Однако в других вариантах осуществления (и как изображено на фиг. 3) несколько фильтрационных узлов могут сходиться в одном совместно используемом защитном фильтре, расположенном, например, на впуске операции 260 непрерывного захвата. Предполагаются и другие расположения и конфигурации защитного фильтра 250.

Защитные фильтры 250, 252 могут быть выполнены из любого материала с подходящей пористостью, например, из пористой полимерной мембраны и/или мембраны из полых волокон. В некоторых случаях защитный фильтр 250 имеет размер пор от приблизительно 500 килодальтон до приблизительно 10 микрон или, более предпочтительно, от приблизительно 0,1 микрона до приблизительно 1 микрона. Защитный фильтр 250 может быть выполнен с размером пор, приблизительно равным размеру пор первой системы 220 фильтрации и/или второй системы 222 фильтрации (т.е. для имитации избирательной проницаемости систем 220, 222 фильтрации). Однако в других случаях защитный фильтр 250 может иметь поры с размером меньше или больше, чем в системах 220, 222 фильтрации, что, таким образом, обеспечивает возможность избирательной фильтрации дополнительных продуктов метаболизма.

В некоторых случаях в фильтрационном узле 206, 208 может быть предусмотрен по меньшей мере один датчик 240 для мониторинга эксплуатации одной или нескольких систем 220, 222 фильтрации и/или обнаружения отказа фильтра. В частности, датчик 240 может содержаться в первом фильтрационном узле 206. В некоторых примерах второй фильтрационный узел 208 может содержать дополнительный датчик (например, второй датчик 242). Датчик 240 может быть расположен вдоль трубопровода фильтрационного узла 206, 208 и может быть выполнен с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой в фильтрационном узле 206, 208, т.е. так, чтобы обнаруживать различные аспекты жидкой питательной среды, проходящей через фильтрационный узел 206, 208. Как показано на фиг. 2, датчик 240 может быть расположен ниже по потоку относительно первой системы 220 фильтрации и выше по потоку относительно защитного фильтра 250. В некоторых случаях датчик 240 может включать датчик давления или, в частности, пьезорезистивный датчик давления. Датчик 240 может быть выполнен с возможностью обнаружения давления в первом фильтрационном узле 206 (например, давления жидкой питательной среды в первом фильтрационном узле 206), которое может указывать забитый защитный фильтр 250 и/или разрыв в первой системе 220 фильтрации выше по потоку. В различных примерах датчик 240 может быть выполнен с возможностью обнаружения давления выше по потоку или ниже по потоку относительно первого защитного фильтра 250, давления выше по потоку или ниже по потоку относительно первой системы 220 фильтрации и/или перепада давления на мембране в первой системе 220 фильтрации или защитном фильтре 250. В других примерах датчик 240 может представлять собой оптический датчик (например, зонд для измерения оптической плотности), и датчик 240 может быть выполнен с возможностью определения плотности клеток в жидкой питательной среде, текущей через первый фильтрационный узел 206. В дальнейших примерах датчик 240 может включать расходомер, выполненный с возможностью измерения расхода жидкой питательной среды через системы 220, 222 фильтрации и/или фильтрационные узлы 206, 208. В других дальнейших примерах датчик 240 может включать емкостный датчик, рамановский датчик или датчик FTIR (инфракрасного излучения с преобразованием Фурье). В другом примере датчик 240 может быть добавлен в операции непрерывного захвата (например, как датчик давления выше по потоку относительно колонки для захвата). Предполагаются и другие типы датчиков и их применения.

Несмотря на то, что датчики 240, 242 на фиг. 2 изображены как содержащиеся в первом фильтрационном узле 206 и втором фильтрационном узле 208 (т.е. расположенные в трубопроводе между системами 220, 222 фильтрации и защитными фильтрами 250, 252), датчики могут быть расположены во множестве положений. Например, в некоторых примерах датчик 215 биореактора может быть выполнен с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой в сосуде 210 биореактора так, что датчик 215 биореактора может осуществлять мониторинг изменений давления, температуры, pH, количества растворенного кислорода, pCO₂, плотности клеток или других характеристик жидкой питательной среды в сосуде 210.

Для частичного устранения потенциальных проблем, возникающих в результате отказа фильтра, устройство 200 для культивирования клеток может содержать систему автоматического ответного реагирования. Систему ответного реагирования можно использовать для обнаружения отказа системы фильтрации (например, разрыва фильтрующей мембраны), изоляции неисправной системы фильтрации и/или регулировки эксплуатационных параметров устройства 200 с целью продолжения перфузии клеток относительно без изменений. Система автоматического ответного реагирования может быть реализована при помощи устройства 270 управления в сообщении с по меньшей мере насосами 230, 232 для сбора и датчиками 240, 242. Как описано в данном документе устройство 270 управления может содержать по меньшей мере один процессор, выполненный с возможностью выполнения операций (например, операций, хранящихся в виде программных команд в устройстве хранения данных устройства управления). Однако в других примерах устройство 270 управления может включать компаратор или другую упрощенную систему управления.

Устройство 270 управления может быть выполнено с возможностью приема из датчиков 240, 242 информации, указывающей рабочее состояние первой системы 220 фильтрации и/или второй системы 222 фильтрации. Такая информация может содержать характеристики жидкой питательной среды, текущей через первый фильтрационный узел 206 и/или второй фильтрационный узел 208. Например, информация может содержать давление текучей среды для жидкой питательной среды в фильтрационных узлах 206, 208, плотность клеток жидкой питательной среды, расход жидкой питательной среды, присутствие анализируемого вещества в жидкой питательной среде или какую-либо иную информацию. В других примерах, как описано ранее, датчик 215 биореактора может быть выполнен с возможностью сбора информации в отношении жидкой питательной среды в сосуде 210 биореактора, например, к плотности клеток или другой характеристике.

Устройство 270 управления может затем определять, находится ли первая система 220 фильтрации и/или вторая система 222 фильтрации в работоспособном состоянии, на основе по меньшей мере информации, принятой из датчика (датчиков) 240, 242. В данном контексте термин «работоспособный» используется для отсылки к системе фильтрации, действующей по назначению, т.е. избирательно пропускающей жидкую питательную среду, содержащую продукты жизнедеятельности клеток и представляющий интерес продукт, в то же время удерживая клетки в сосуде 210 биореактора. И наоборот, система 220, 222 фильтрации, находящаяся в неработоспособном состоянии, может испытывать отказ при пропускании требуемой или ожидаемого расхода жидкой питательной среды (т.е. указывать на забитую или засоренную фильтрующую мембрану), или отказ при удержании клеток (т.е. указывать на разрыв фильтра). Определение того, находится ли система 220, 222 фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, находится ли принятая информация в пределах ожидаемого диапазона значений, или попадает выше или ниже предварительно определенного порогового значения.

В частном примере первая система 220 фильтрации может испытать разрыв, из-за которого возникает возможность преодоления клетками первой системы 220 фильтрации и их сбора на защитном фильтре 250. Тогда устройство 270 управления может принимать из датчика 240 информацию, указывающую на повышенное давление в жидкой питательной среде, вызванное клетками, забивающими защитный фильтр 250. Тогда определение того, находится ли первая система 220 фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, превышает ли давление в первом фильтрационном узле 206 (т.е. давление жидкой питательной среды в первому фильтрационном узле 206) пороговое значение давления. В аналогичном примере один или несколько из датчиков 240 могут включать оптический датчик (например, зонд для измерения оптической плотности), и определение того, находится ли система фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, что плотность клеток жидкой питательной среды в первом фильтрационном узле 206 превышает пороговый уровень, что указывает на преодоление клетками первой системы 220 фильтрации. В другом примере датчик 215 биореактора может представлять собой оптический датчик, и определение того, находятся ли системы 220, 222 фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, что плотность клеток жидкой питательной среды в сосуде 210 биореактора находится ниже порогового уровня.

Также ожидаются и другие типы отказа. Например, первая система 220 фильтрации может делаться неработоспособной из-за отказа первого насоса с тангенциальным потоком и/или засорения фильтрующей мембраны (например, в случаях, когда первая система 220 фильтрации представляет собой фильтр ATF или другой фильтр на основе тангенциального потока). В такой ситуации клетки могут накапливаться на фильтрующей мембране, препятствуя или уменьшая поток жидкой питательной среды через первую систему 220 фильтрации. В таком примере датчик 240 может быть выполнен с возможностью измерения перепада давления на мембране в первой системе 220 фильтрации. Определение того, находится ли первая система 220 фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, что перепад давления на мембране в системе 220 фильтрации находится выше порогового значения. В дальнейшем примере датчик 240 может включать расходомер, и определение того, находится ли первая система 220 фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, что поток жидкой питательной среды через первую систему 220 фильтрации (и/или первый фильтрационный узел 206) находится ниже порогового уровня. Специалисты в данной области техники могут предположить и другие типы отказа, параметры датчиков и определяющие факторы.

После определения отказа одной или нескольких систем фильтрации система автоматического ответного реагирования (т.е. устройство 270 управления) может действовать с целью изоляции неисправного фильтрационного узла 206, 208 путем предотвращения течения жидкой питательной среды через поврежденную систему 220, 222 фильтрации. Иными словами, в ответ на определение того, что первая система 220 фильтрации находится в неработоспособном состоянии, устройство 270 управления может инициировать прекращение перекачивания насосом 230 для сбора жидкой питательной среды через первую систему 220 фильтрации, например, путем отключения электропитания насоса 230 для сбора. Устройство 270 управления также может быть выполнено с возможностью остановки первой системы 220 фильтрации путем инициирования прекращения перекачивания насосом с тангенциальным потоком системы 220 фильтрации жидкой питательной среды через фильтрующую мембрану (т.е. в случаях, когда система 220 фильтрации содержит фильтр ATF). В других примерах устройство 270 управления может быть выполнено с возможностью отведения жидкой питательной среды в систему сбора отходов путем приведения в действие сливного клапана, последовательно соединенного с первой системой 220 фильтрации или второй системой 222 фильтрации. В другом сценарии устройство 270 управления может полностью останавливать потоки в сосуд 210 биореактора и из него, если информация из датчика 215 биореактора (например, емкость, оптическая плотность, скорость поглощения кислорода или другой аспект жидкой питательной среды в сосуде 210 биореактора) попадает выше или ниже определенного порогового значения.

В дополнение или в качестве альтернативы первый фильтрационный узел 206 может содержать первый изолирующий клапан 265 или клапаны, последовательно соединенные с первой системой 220 фильтрации. Первый изолирующий клапан 265 может быть выполнен с возможностью контроля течения жидкой питательной среды через первую систему 220 фильтрации. В ответ на определение того, что первая система 220 фильтрации находится в неработоспособном состоянии, устройство 270 управления может быть выполнено с возможностью перекрытия первого изолирующего клапана 265. Второй изолирующий клапан 267 может быть так же последовательно соединен со второй системой 222 фильтрации и выполнен с возможностью контроля течения жидкой питательной среды через вторую систему 222 фильтрации. Как показано на фиг. 2, в некоторых случаях изолирующий клапан (клапаны) 265, 267 может быть последовательно присоединен между первым фильтрационным узлом 206 и/или вторым фильтрационным узлом 208 и операцией 260 непрерывного захвата. Однако такой изолирующий клапан или клапаны 265, 267 могут быть расположены где угодно перед, после или в первом фильтрационном узле 206 или втором фильтрационном узле 208. Например, первый изолирующий клапан 265 и/или второй изолирующий клапан 267 может быть расположен между сосудом 210 биореактора и соответствующим фильтрационным узлом 206, 208, расположенным ниже по потоку относительно системы (систем) фильтрации 220, 222, расположенной ниже по потоку относительно защитного фильтра (фильтров) 250, 252 или соединен с впуском операции 260 непрерывного захвата. При обнаружении неисправности фильтра изолирующий клапан (клапаны) 265, 267 может быть приведен в действие для предотвращения течения жидкой питательной среды и продуктов жизнедеятельности клеток через поврежденную систему 220, 222 фильтрации, таким образом, предотвращая достижение клетками и загрязняющими веществами операции 260 непрерывного захвата и облегчая замену какого-либо дефектного оборудования.

В дополнение к изоляции сломанной системы 220, 222 фильтрации устройство 270 управления также может быть выполнено с возможностью изменения различных эксплуатационных параметров устройства 200 для культивирования клеток после отказа фильтра. Как было описано ранее, в сосуд 210 биореактора может подаваться неизменный расход жидкой питательной среды, и приблизительно равный расход содержащей отходы истощенной питательной среды может непрерывно удаляться для содействия пролиферации клеток в сосуде 210 биореактора. После обнаружения отказа в первой системе 220 фильтрации устройство 270 управления может быть дополнительно выполнено с возможностью увеличения расхода жидкой питательной среды через оставшуюся работоспособную вторую систему 222 фильтрации так, чтобы в сосуде 210 биореактора поддерживалась неизменная перфузия жидкой питательной среды. Увеличение расхода через оставшуюся работоспособную систему фильтрации (например, вторую систему 222 фильтрации) должно быть приблизительно равно суммарному расходу через исходную систему (системы) 220, 222 фильтрации до отказа (например, сумме первого расхода через первую систему 220 фильтрации и второго расхода через вторую систему 222 фильтрации). В одном примере устройство 240 управления может быть выполнено с возможностью инициирования увеличения вторым насосом 232 для сбора расхода жидкой питательной среды через вторую систему 242 фильтрации в ответ на определение того, что первая система 220 фильтрации находится в неработоспособном состоянии. В некоторых примерах инициирование увеличения вторым насосом 232 для сбора расхода жидкой питательной среды через вторую систему 242 фильтрации может включать приблизительно удвоение расхода.

В некоторых случаях устройство 200 для культивирования клеток может содержать множество фильтрационных узлов (т.е. по меньшей мере первый фильтрационный узел 206 и второй фильтрационный узел 208), соединенных параллельно и действующих одновременно. Например, в некоторых вариантах осуществления устройство 200 для культивирования клеток для достижения требуемой скорости перфузии может содержать три, четыре, шесть или более фильтрационных узлов. При отказе одной или нескольких систем 220, 222 фильтрации фильтрационных узлов 206, 208 устройство 270 управления может быть выполнено с возможностью регулировки расхода через любое количество оставшихся работоспособных фильтрационных узлов для поддержания неизменной перфузии жидкой питательной среды в системе. Например, в ответ на определение того, что первая система 220 фильтрации находится в неработоспособном состоянии, устройство 270 управления может инициировать увеличение одним или несколькими насосами для сбора, связанными с одним или несколькими дополнительными фильтрационными узлами, расхода жидкой питательной среды через соответствующие им системы фильтрации.

В некоторых примерах при обнаружении неисправности фильтра может потребоваться уведомление оператора устройства 200 для культивирования клеток. Например, в ответ на определение того, что первая система 220 фильтрации находится в неработоспособном состоянии, устройство 270 управления может быть выполнено с возможностью вывода уведомления. Такое уведомление может включать видимое предупреждение, например, мигающий световой индикатор, цветной световой индикатор, видимое сообщение, текстовую или графическую информацию на дисплее. В дополнение или в качестве альтернативы уведомление может включать слуховое предупреждение, такое как звуковой сигнал тревоги, пиканье, звонок, слуховое сообщение или какой-либо иной слуховой компонент. В другом примере уведомление может включать текстовое сообщение, телефонный звонок или электронное письмо, отправленное получателю, связанному с устройством для культивирования клеток.

Несмотря на то, что устройство 200 для культивирования клеток, изображенное на фиг. 2, содержит два фильтрационных узла 206, 208, содержащих отдельные системы 220, 222 фильтрации, датчик (датчики) 240, 242 и защитные фильтры 250, 252, в пределах объема настоящего изобретения могут находиться и более простые устройства для культивирования клеток. Например, на фиг. 3 изображено устройство 300 для культивирования клеток, содержащее сдвоенные системы 320, 322 фильтрации, сходящиеся на совместно используемых датчике 340, защитном фильтре 350 и операции 360 захвата. Первая система 320 фильтрации последовательно соединена с первым насосом 330 для сбора, тогда как вторая система 322 фильтрации последовательно соединена со вторым насосом 332 для сбора. Такая конфигурация может обеспечивать возможность обнаружения общего отказа устройства 300 для культивирования клеток при помощи датчика 350. Например, при возникновении разрыва в любой из первой системы 320 фильтрации или второй системы 322 фильтрации клетки из сосуда 310 биореактора могут течь через системы 320, 322 фильтрации и собираться на защитном фильтре 350. Забивание защитного фильтра 350 может вызывать повышение давления в жидкой питательной среде выше по потоку относительно защитного фильтра 350, которое может быть обнаружено датчиком давления (например, датчиком 340). Однако, вследствие совместно используемого датчика 340 ниже по потоку такая система может не обладать возможностью различать отказ в первой системе 320 фильтрации и отказ во второй системе 322 фильтрации. В такой примерной системе система автоматического ответного реагирования может действовать, например, с целью предупреждения оператора устройства 300 для культивирования клеток путем вывода уведомления, отведения жидкой питательной среды в систему сбора отходов или прекращения операции непрерывного захвата. Предусматриваются и другие автоматические ответные реакции.

Сосуд 310 биореактора, первая и вторая системы 320, 322 фильтрации, первый и второй насосы 330, 332 для сбора, датчик 340, защитный фильтр 350 и операция 360 захвата, показанные на фиг. 3, могут быть выполнены подобно соответствующим компонентам, описанным в отношении фиг. 2.

В некоторых других примерах устройство для культивирования клеток может основываться на единственном фильтрационном узле для обработки истощенной жидкой питательной среды. На фиг. 4 изображен пример такого устройства 400 для культивирования клеток. В данном случае сосуд 410 биореактора находится в сообщении по текучей среде с операцией 460 захвата посредством единственной системы 420 фильтрации, насоса 430 для сбора, датчика 440 и защитного фильтра 450. Устройство 470 управления может быть соединено с возможностью связи с по меньшей мере одним датчиком 440 и насосом 430 для сбора. В таком примере неисправность фильтра (например, разрыв, забивание или другой дефект системы 420 фильтрации) может сделать неработоспособным весь механизм фильтрации устройства 400 для культивирования клеток. В ответ на определение того, что система 420 фильтрации находится в неработоспособном состоянии, устройство 470 управления может быть выполнено с возможностью инициирования прекращения сбора продукта из жидкой питательной среды операцией 460 сбора.

В ситуациях, когда неработоспособны все фильтрационные узлы устройства для культивирования клеток (например, когда отказывает единственная система 420 фильтрации, или когда отказывают все из множества систем фильтрации), поток жидкой питательной среды может быть отведен в систему 480 сбора отходов. Для обеспечения такого сценария один или несколько фильтрационных узлов могут содержать сливной клапан 485, последовательно соединенный с системой 420 фильтрации. Сливной клапан 485 может быть выполнен с возможностью отведения потока жидкой питательной среды в систему 480 сбора отходов. Сливной клапан 485 может представлять собой трехходовой клапан, однако в других примерах сливной клапан 485 может включать одно- или двухходовые клапаны. Такой сливной клапан 485 предпочтительно может быть присоединен ниже по потоку относительно насоса 430 для сбора и выше по потоку относительно защитного фильтра 450, однако можно предположить множество положений. В ответ на определение того, что система 420 фильтрации находится в неработоспособном состоянии, устройство 470 управления может быть выполнено с возможностью открытия сливного клапана 485 и, таким образом, отведения жидкой питательной среды в слив.

Отведение жидкой питательной среды в систему 480 сбора отходов может обеспечивать возможность временного продолжения перфузии через систему 400 для культивирования клеток. Однако в конечном итоге плотность клеток в сосуде 410 реактора может падать до недопустимого уровня, так как в слив перекачивается большая часть клеток. Для предотвращения нежелательной величины потери плотности клеток, датчик (например, датчик 440 или дополнительный датчик биореактора) может быть выполнен с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой в сосуде 410 биореактора и/или мониторинга плотности клеток в сосуде 410. В ответ на определение того, что плотность клеток падает ниже порогового значения, устройство 470 управления может быть выполнено с возможностью прекращения перфузии совместно, например, с перекрытием сливного клапана 485, перекрытием изолирующего клапана, инициированием прекращения перекачивания одним или несколькими насосами для сбора 420 жидкой питательной среды через одну или несколько систем 420 фильтрации или какими-либо иными средствами.

Сосуд 410 биореактора, система 420 фильтрации, насос 430 для сбора, датчик 440, защитный фильтр 450, операция 460 захвата и устройство 470 управления, показанные на фиг. 4, могут быть выполнены аналогично соответствующим компонентам, описанным выше в отношении фиг. 2.

III. Способ культивирования клеток

На фиг. 5 показана блок-схема способа 500 эксплуатации устройства для культивирования клеток, такого как любое из устройств, показанных на фиг. 2, 3 или 4 и описанных в данном документе. Для иллюстрации устройство для культивирования клеток, эксплуатируемое в способе 500 содержит: (i) сосуд биореактора; (ii) первую систему фильтрации в сообщении по текучей среде с сосудом биореактора; (ii) вторую систему фильтрации в сообщении по текучей среде с сосудом биореактора; (iii) первый насос для сбора, последовательно соединенный с первой системой фильтрации; (iv) второй насос для сбора, последовательно соединенный со второй системой фильтрации; и (v) датчик, выполненный с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой, текущей через по меньшей мере одну систему фильтрации.

Блок 501 способа 500 включает по меньшей мере частичное наполнение сосуда биореактора клетками и жидкой питательной средой. Сосуд биореактора находится в сообщении по текучей среде с первой системой фильтрации и второй системой фильтрации, соединенной параллельно с первой системой фильтрации. По меньшей мере частичное наполнение сосуда биореактора клетками и жидкой питательной средой может включать доставку клеток в виде монослоя на искусственном субстрате (т.е. адгезивной культуры). В других примерах по меньшей мере частичное наполнение сосуда биореактора клетками и жидкой питательной средой может включать доставку клеток, свободно плавающих в питательной среде (т.е. в виде суспензионной культуры). Жидкая питательная среда для непрерывной перфузии может доставляться при помощи операции подачи, выполненной с возможностью введения свежей жидкой питательной среды в сосуд биореактора. Жидкая питательная среда из операции подачи может доставляться с предварительно определенным расходом, рассчитанным на потребности в питании клеток в сосуде биореактора.

Блок 502 способа 500 включает перекачивание жидкой питательной среды из сосуда биореактора через первую систему фильтрации с использованием первого насоса для сбора. Блок 503 способа 500 включает перекачивание жидкой питательной среды из сосуда биореактора через вторую систему фильтрации с использованием второго насоса для сбора. Первый насос для сбора может быть последовательно соединен с первым тангенциальным потоком. Аналогично, второй насос для сбора может быть последовательно соединен со второй системой фильтрации.

Перекачивание жидкой питательной среды через первую систему фильтрации может включать перекачивание жидкой питательной среды с первым расходом. Перекачивание жидкой питательной среды через второй тангенциальный расход может включать перекачивание жидкой питательной среды со вторым расходом. В некоторых примерах первый расход может быть по существу равен второму расходу в нормальных условиях эксплуатации. Однако в других примерах расход жидкой питательной среды через первую систему фильтрации может отличаться от расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации. В дополнение или в качестве альтернативы сумма первого расхода и второго расхода может быть приблизительно равна расходу питательной среды в сосуд биореактора при помощи операции подачи (т.е. операции подачи, описанной ранее в отношении блока 501 способа 500).

Блок 504 способа 500 включает прием из датчика, выполненного с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой, текущей через, по меньшей мере, первую систему фильтрации, информации, указывающей рабочее состояние первой системы фильтрации. Указанный датчик может быть расположен в фильтрационном узле, содержащем первую систему фильтрации, первый насос для сбора и/или другие элементы. В дополнение или в качестве альтернативы датчик может быть расположен в трубопроводе, последовательно соединенном с первой системой фильтрации и/или первым насосом для сбора.

В некоторых примерах датчик представляет собой датчик давления (например, пьезорезистивный датчик давления). Информация, указывающая рабочее состояние первой системы фильтрации, может содержать информацию в отношении давления в жидкой питательной среде, текущей через первую систему фильтрации. В частности, информация может содержать давление в жидкой питательной среде выше по потоку относительно первой системы фильтрации, давление в жидкой питательной среде ниже по потоку относительно первой системы фильтрации или дифференциальный перепад давления жидкой питательной среды на мембране в первой системе фильтрации. В некоторых примерах устройство для культивирования клеток содержит защитный фильтр, последовательно соединенный с первой системой фильтрации ниже по потоку относительно первой системы фильтрации. В таком примере указанная информация может содержать давление в жидкой питательной среде выше по потоку относительно защитного фильтра. В дополнение или в качестве альтернативы датчик может содержать емкостный датчик, рамановский зонд, зонд FTIR или зонд для измерения оптической плотности. В таких примерах информация может содержать информацию в отношении плотности клеток в жидкой питательной среде (например, в жидкой питательной среде ниже по потоку относительно первой системы фильтрации).

Блок 505 способа 500 включает определение на основе по меньшей мере принятой информации того, находится ли первая система фильтрации в работоспособном состоянии. Если первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, фильтр может пропускать требуемый или ожидаемый расход жидкой питательной среды (т.е. указывать на забитую или засоренную фильтрующую мембрану) или испытывать отказ при удержании клеток (т.е. указывать на разрыв фильтра). Определение того, находится ли система фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, находится ли принятая из датчика информация в пределах ожидаемого диапазона значений, или попадает выше или ниже предварительно определенного порогового значения. В некоторых примерах датчик представляет собой датчик давления и определение того, находится ли система фильтрации в работоспособном состоянии, включает определение того, что давление жидкой питательной среды находится выше предварительно определенного порогового значения. В некоторых случаях определение того, находится ли первая система фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, что перепад давления на мембране в первой системе фильтрации находится выше предварительно определенного порогового значения. В других дополнительных примерах определение того, находится ли первая система фильтрации в работоспособном состоянии, может включать определение того, что плотность клеток жидкой питательной среды (например, жидкой питательной среды в сосуде биореактора или жидкой питательной среды, текущей через первую систему фильтрации) находится вне предварительно определенного диапазона пороговых значений.

Блок 506 способа 500 включает, в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, инициирование прекращения перекачивания первым насосом для сбора жидкой питательной среды через первую систему фильтрации. Такая ответная реакция может эффективно прекращать течение жидкой питательной среды через первую систему фильтрации. В дополнение или в качестве альтернативы с первой системой фильтрации может быть последовательно соединен изолирующий клапан, выполненный с возможностью контроля течения жидкой питательной среды через первую систему фильтрации. В таком примере способ 500 может включать, в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, перекрытие изолирующего клапана. Также предполагаются и другие ответные реакции на неисправность фильтра.

В некоторых примерах способ 500 может дополнительно включать регулировку расхода одного или нескольких оставшихся работоспособных фильтров. Например, способ 500 может дополнительно включать инициирование увеличения вторым насосом для сбора расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии. Увеличение расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации может обеспечить возможность продолжения перфузии жидкой питательной среды через сосуд биореактора с неизменной скоростью после отказа фильтра. Иными словами, отрегулированный расход жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации может быть приблизительно равен расходу жидкой питательной среды через работоспособные первую и вторую системы фильтрации. В некоторых примерах инициирование увеличения вторым насосом для сбора расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации может включать приблизительно удвоение расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации.

В некоторых примерах способ 500 дополнительно включает вывод уведомления в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии. Уведомление может включать видимое предупреждение (например, мигающий световой индикатор, цветной световой индикатор, видимое сообщение, текстовую или графическую информацию на дисплее) и/или слуховое предупреждение (например, звуковой сигнал тревоги, пиканье, звонок, слуховое сообщение или какой-либо иной слуховой компонент). В других дополнительных примерах способ 500 может включать отведение жидкой питательной среды в систему сбора отходов, прекращение операции захвата ниже по потоку или воздействие на другие аспекты эксплуатации устройства для культивирования клеток.

Примерный способ 500, изображенный на фиг. 5, подразумевается как иллюстративный, неограничивающий пример. Блоки и этапы, описанные в данном документе, могут осуществляться последовательно или параллельно. Кроме того, различные блоки и этапы могут осуществляться в порядке, отличающемся от описанного в данном документе, и некоторые блоки и этапы могут быть опущены, пропущены и/или повторены. Предусматриваются дополнительные или альтернативные элементы способа и дополнительные или альтернативные компоненты систем.

Несмотря на то, что устройство и способы, описанные в данном документе, были описаны в том, что касается различных вариантов осуществления, понятно, что у специалистов в данной области техники появятся изменения и модификации. Поэтому предполагается, что приложенная формула изобретения охватывает все такие эквивалентные изменения, находящиеся в пределах объема заявленного устройства и способов. Кроме того, названия разделов, используемые в данном документе, представлены лишь в целях систематизации, и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие описываемый объект настоящего изобретения.

Все источники литературы, цитируемые в настоящей заявке, явным образом включены посредством ссылки в данном документе.

Группа изобретений относится к перфузионному устройству для культивирования клеток и к способу культивирования клеток. Перфузионное устройство содержит: сосуд биореактора, первый фильтрационный узел, второй фильтрационный узел, выполненный с возможностью эксплуатации параллельно с первым фильтрационным узлом, и устройство управления. Первый фильтрационный узел содержит: первую систему фильтрации; насос для сбора, последовательно соединенный с первой системой фильтрации, и датчик. Второй фильтрационный узел содержит: вторую систему фильтрации и второй насос для сбора, последовательно соединенный со второй системой фильтрации. Устройство управления осуществляет прием информации от датчика о работоспособном состоянии первой системы фильтрации и в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, инициирует прекращение перекачивания первым насосом для сбора жидкой питательной среды через первую систему фильтрации. Осуществление группы изобретений позволяет предотвращать проблемы, возникающие из-за отказов фильтров ATF в традиционных перфузионных биореакторах, за счет чего увеличивается долгосрочная жизнеспособность клеточных культур. 2 н. и 25 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Перфузионное устройство для культивирования клеток, содержащее:

(a) сосуд биореактора, выполненный с возможностью вмещения жидкой питательной среды;

(b) первый фильтрационный узел, находящийся в сообщении по текучей среде с сосудом биореактора, при этом первый фильтрационный узел содержит:

(i) первую систему фильтрации;

(ii) первый насос для сбора, последовательно соединенный с первой системой фильтрации, при этом первый насос для сбора выполнен с возможностью перекачивания жидкой питательной среды из сосуда биореактора через первую систему фильтрации; и

(iii) датчик, при этом датчик выполнен с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой в первом фильтрационном узле; и

(c) второй фильтрационный узел, выполненный с возможностью эксплуатации параллельно с первым фильтрационным узлом, при этом второй фильтрационный узел находится в сообщении по текучей среде с сосудом биореактора, и при этом второй фильтрационный узел содержит:

(i) вторую систему фильтрации; и

(ii) второй насос для сбора, последовательно соединенный со второй системой фильтрации, при этом второй насос для сбора выполнен с возможностью перекачивания жидкой питательной среды из сосуда биореактора через вторую систему фильтрации; и

(d) устройство управления, при этом устройство управления выполняет операции, включающие:

(i) прием из датчика информации, указывающей работоспособное состояние первой системы фильтрации;

(ii) определение на основе принятой информации от датчика того, находится ли первая система фильтрации в работоспособном состоянии; и

(iii) в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, инициирование прекращения перекачивания первым насосом для сбора жидкой питательной среды через первую систему фильтрации.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что одна из первой системы фильтрации и второй системы фильтрации содержит фильтр с переменным тангенциальным потоком.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что одна из первой системы фильтрации и второй системы фильтрации содержит фильтр с тангенциальным потоком.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждая из первой системы фильтрации и второй системы фильтрации имеет размер пор от приблизительно 0,1 микрона до приблизительно 1 микрона.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик включает датчик давления, и при этом определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, включает определение того, что давление в первом фильтрационном узле превышает пороговое значение.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик включает емкостный датчик.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что датчик включает оптический датчик.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство управления выполнено с возможностью:

в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, инициирования увеличения вторым насосом для сбора расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации.

9. Устройство по п. 8, отличающееся тем, что инициирование увеличения вторым насосом для сбора расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации включает приблизительно удвоение расхода.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что устройство управления выполнено с возможностью:

в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, вывода уведомления.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что уведомление включает видимое предупреждение или слуховое предупреждение.

12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что содержит изолирующий клапан, последовательно соединенный с первым фильтрационным узлом, при этом клапан выполнен с возможностью контроля течения жидкой питательной среды через первый фильтрационный узел, и при этом устройство управления выполнено с возможностью:

в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, перекрытия изолирующего клапана.

13. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый фильтрационный узел содержит защитный фильтр, последовательно соединенный с первой системой фильтрации, при этом защитный фильтр присоединен ниже по потоку относительно первой системы фильтрации и датчика.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что защитный фильтр имеет размер пор от приблизительно 0,1 микрона до приблизительно 1 микрона.

15. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что предусматривает операцию захвата, приспособленную для сбора продукта из жидкой питательной среды, при этом операция захвата находится в сообщении по текучей среде с сосудом биореактора посредством первого фильтрационного узла.

16. Устройство по п. 15, отличающееся тем, что операция захвата предусматривает станцию непрерывной периодической противоточной хроматографии.

17. Перфузионное устройство для культивирования клеток по п. 1, отличающееся тем, что датчик представляет собой рамановский датчик или датчик инфракрасного излучения с преобразованием Фурье (FTIR).

18. Способ культивирования клеток, при этом способ включает:

(a) частичное наполнение сосуда биореактора клетками и жидкой питательной средой, при этом сосуд биореактора находится в сообщении по текучей среде с первой системой фильтрации и второй системой фильтрации, соединенной параллельно с первой системой фильтрации;

(b) перекачивание жидкой питательной среды из сосуда биореактора через первую систему фильтрации с использованием первого насоса для сбора, при этом первый насос для сбора последовательно соединен с первой системой фильтрации;

(c) перекачивание жидкой питательной среды из сосуда биореактора через вторую систему фильтрации с использованием второго насоса для сбора, при этом второй насос для сбора последовательно соединен со второй системой фильтрации;

(d) прием из датчика, выполненного с возможностью взаимодействия с жидкой питательной средой, информации, указывающей работоспособное состояние первой системы фильтрации;

(е) определение на основе принятой информации того, находится ли первая система фильтрации в работоспособном состоянии; и

(f) в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, инициирование прекращения перекачивания первым насосом для сбора жидкой питательной среды через первую систему фильтрации.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что одна из первой системы фильтрации и второй системы фильтрации содержит фильтр с переменным тангенциальным потоком.

20. Способ по п. 18, отличающийся тем, что датчик включает датчик давления.

21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что принятая информация содержит информацию в отношении давления жидкой питательной среды ниже по потоку относительно первой системы фильтрации.

22. Способ по п. 20, отличающийся тем, что принятая информация содержит информацию в отношении перепада давления на мембране в первой системе фильтрации.

23. Способ по п. 20, отличающийся тем, что определение того, находится ли первая система фильтрации в работоспособном состоянии, включает определение того, что давление жидкой питательной среды находится выше предварительно определенного порогового значения.

24. Способ по п. 18, отличающийся тем, что перекачивание жидкой питательной среды из сосуда биореактора через первую систему фильтрации включает перекачивание жидкой питательной среды с первым расходом, при этом перекачивание жидкой питательной среды из сосуда биореактора через вторую систему фильтрации включает перекачивание жидкой питательной среды со вторым расходом, и при этом первый расход приблизительно равен второму расходу.

25. Способ по п. 18, отличающийся тем, что включает:

в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, инициирование увеличения вторым насосом для сбора расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации.

26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что инициирование увеличения вторым насосом для сбора расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации включает приблизительно удвоение расхода жидкой питательной среды через вторую систему фильтрации.

27. Способ по п. 18, отличающийся тем, что включает:

в ответ на определение того, что первая система фильтрации находится в неработоспособном состоянии, вывод уведомления.